Посты автора leader

leader

leader

Использование тороидальных трансформаторов в медицинских устройствах

Тороидальные трансформаторы идеально подходят для электрической изоляции в медицинском оборудовании, поскольку они компактны, при необходимости могут быть полностью герметизированы и имеют низкие поля рассеяния, что снижает вероятность возникновения электромагнитных помех.

Изоляция означает физическое и электрическое разделение двух частей цепи, которые могут взаимодействовать. Изоляция достигается за счет использования  электромагнитного поля между двумя цепями. Чтобы изоляция была  надежной для использования в медицинском оборудовании, должны выполняться два правила: высоко интегрированные изоляционные компоненты и безопасный изоляционный барьер. Например, изолятором может быть кусок пластика, зазор в печатной плате или воздушный зазор.

Три наиболее часто используемых метода изоляции — это оптопары (свет), трансформаторы (магнитный поток) и емкостные соединители (электрическое поле).

Изоляция обеспечивает несколько преимуществ безопасности в медицинском оборудовании:

  • Она разрывает контуры заземления
  • Улучшает отклонение напряжения синфазного тока
  • Она позволяет двум частям цепи находиться на разных уровнях напряжения, что означает, что одна сторона может быть безопасной, в то время как другая находится на опасном уровне напряжения.В рамках данного обсуждения мы сосредоточимся на использовании трансформаторов в качестве метода электрической изоляции медицинского оборудования.

Обзор трансформаторов

Трансформатор — это электрическое устройство, передающее энергию между двумя или более контурами посредством электромагнитной индукции. Обычно трансформаторы используются для повышения или понижения напряжения переменного тока в электроэнергетике. Это достигается путем пропускания переменного тока через первичную обмотку для создания магнитного потока в сердечнике трансформатора. Этот поток затем индуцирует напряжение во вторичной обмотке трансформатора. В зависимости от соотношения первичной и вторичной обмоток выходное напряжение трансформатора может быть увеличено или уменьшено.

Для большинства трансформаторов, предназначенных для использования в домах и офисах, используется один из двух типов трансформаторов: наборной сердечник Ш-образный (EI )или тороидальный сердечник.

Медицинский трансформатор

Конструкция  трансформатора  Ш-образной конструкции

В конструкции E-I соответствующие компоненты «E» и «I» штампуются из листов тонкой зернистой электротехнической стали, которые затем складываются в стопку для создания сердечника. Первичная и вторичная обмотки наматываются на шпули. Несколько шпулей помещаются на шпиндели и вращаются для наложения обмоток.

Этот метод использования шпули позволяет автоматизировать процесс, что сокращает время изготовления, а также обеспечивает изоляцию между обмотками и сердечником. Ламинаты сердечника EI укладываются внутрь шпули для замыкания магнитопровода трансформатора.

Конструкция тороидального трансформатора

Тороидальный сердечник изготавливается из непрерывной полосы кремниевой стали, которая наматывается подобно тугой часовой пружине. Концы прихватываются небольшими точечными сварными швами, чтобы предотвратить разматывание намотанной стали. Сердечник изолируется эпоксидным покрытием или набором колпачков или несколькими витками изоляционной пленки.

Обмотки трансформатора накладываются непосредственно на сам сердечник. Для изоляции обмоток требуется дополнительная изоляция.

Поскольку обмотки должны быть намотаны через центральное отверстие сердечника. А сам сердечник является цельным, шпули не могут быть использованы в тороидальных трансформаторах. Это делает производство тороидальных трансформаторов более трудоемким.

Если тороидальные трансформаторы более трудоемки и не поддаются автоматизации, почему они используются? Ответ кроется в производительности.

Непрерывная полоса стали, используемая в сердечнике, позволяет трансформатору быть меньше, легче, эффективнее и тише, чем EI-ламинат. Эти качества очень желательны для медицинского электрооборудования (и многих других применений) и оправдывают дополнительные расходы.

Таким образом:

Тороидальные трансформаторы идеально подходят для электрической изоляции медицинского оборудования, поскольку они компактны и при необходимости могут быть полностью герметизированы. Они также имеют низкий уровень паразитных полей и поэтому менее склонны вызывать излучаемые электромагнитные помехи

.намотка автотрансформатора

  

Конструкция изоляционного трансформатора медицинского класса

Разделительные трансформаторы медицинского класса предназначены для изоляции пациента и оператора от поражения электрическим током и защиты оборудования от скачков напряжения или неисправных компонентов.

Для обеспечения безопасности пациента в больницах все диагностическое или терапевтическое медицинское оборудование (медицинские электроприборы и немедицинские электроприборы в окружении пациента и зонах медицинского назначения) должно быть полностью изолировано от линии питания с помощью усиленной изоляции. Полную безопасность пациента/оператора обеспечивают изолирующие трансформаторы медицинского класса с очень низким током утечки (IEC 60601-1 медицинское электрооборудование).

Трансформаторы медицинского класса предназначены для изоляции пациента и оператора от поражения электрическим током и для защиты оборудования от скачков напряжения или неисправных компонентов.

Трансформаторы медицинского класса также строго соответствуют следующим требованиям:

  • Максимальные значения тока утечки на землю, пациента или корпус;
  • Соответствие гармонизированному стандарту IEC 60601;
  • Минимальные значения утечки и воздушного зазора;
  • работа при повышенных температурах и нагрузках;

Регулируемый автотрансформатор (вариак)-устройство и принцип действия

Регулируемый автотрансформатор-вариак

Вариак выглядит как реквизит научно-фантастической лаборатории. Но у них есть полезное назначение.

Вариак- это общее торговое название переменного автотрансформатора. Если это мало что объясняет, давайте рассмотрим, что такое обычный трансформатор и как они связаны. 

Уверен, вы видели трансформатор, и скорее всего, что он находится в комнате с вами прямо сейчас. Трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию (гальваническую развязку) и согласование импеданса, а также, в рассматриваемом нами случае, изменяет напряжение между первичной и вторичной цепями. В процессе работы переменный ток одного напряжения подается на первичную обмотку трансформатора, в результате чего, во вторичной обмотке трансформатора появляется переменный ток другого напряжения.

 

Устройство регулируемого автотрансформатора

Переменные обмотки автотрансформатора

Чтобы понять, как это происходит , необходимо знать два основных понятия. Во-первых, принцип, вытекающий из фундаментальной связи между электричеством и магнетизмом: ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле в области вокруг провода. Отсюда непосредственно следует, что изменение тока приводит к изменению магнитного поля. Во-вторых, принцип, открытый Майклом Фарадеем и названный в его честь: изменяющееся магнитное поле в присутствии цепи будет вызывать электрический ток в этой цепи.

Используя эти два принципа, мы видим, что использование переменного тока для создания изменяющегося магнитного поля в присутствии другого контура приведет к возникновению тока в этом контуре. Именно это и происходит в трансформаторе. Типичный трансформатор состоит из катушек провода для первичной и вторичной обмоток, намотанных вокруг общего железного сердечника, что позволяет максимизировать общий магнитный поток и, таким образом, повысить эффективность трансформатора. Отношение напряжения, индуцируемого во вторичных обмотках, к напряжению в первичных обмотках пропорционально отношению числа витков в этих двух катушках.

Что же такое вариак?

Трансформатор, состоящий только из одной катушки, которая является общей для первичной и вторичной обмоток, называется автотрансформатором. Переменный автотрансформатор известен под общим названием вариак, который я и рассмотриваю здесь. Отношение первичной и вторичной обмоток переменное, что означает, что отношение вторичного напряжения к первичному переменное.

 

Регулируемый автотрансформатор-принцип работы

 

Бегунок переменного автотрансформатора

Внутренняя часть вариака похожа на гигантский реостат. Имеется одна обмотка, которая частично открыта, чтобы подвижный сбрасыватель мог осуществить электрическое соединение. Первичное подключение трансформатора осуществляется к обоим концам этой обмотки. Вторичная обмотка подключается к одному концу обмотки, называемому общим соединением, и к подвижному бегунку. При перемещении по обмотке меняется коэффициент трансформации автотрансформатора.

Некоторые люди используют вариаки для постепенного возвращения к жизни давно неработающего электронного оборудования. Они  также используются в экспериментах и испытаниях для имитации различных условий напряжения и сети. Электрическое оборудование, рассчитанное на напряжение, отличное от 120 В или 240 В, подаваемых внутри страны, можно запитать от переменного автотрансформатора. 

К списку статей

 

Трансформаторы заземления

Почему заземляющие трансформаторы необходимы для больших ветряных электростанций с несколькими турбинами

   Когда мы думаем о ветряных электростанциях  нам, вероятно, приходят на ум образы величественных башен с огромными вращающимися лопастями, пересекающими горизонт. Инженеры не исключение, поскольку их основное внимание уделяется местоположению, закупке, монтажу и подключению башен, турбин и лопастей. Многие люди не знают, что заземляющий трансформатор часто игнорируется при разработке и монтаже ветряной электростанции, о чем свидетельствует тот факт, что 90% заземляющих трансформаторов для ветряных электростанций приобретаются после начала монтажа основной конструкции. Однако те, кто пренебрегает надлежащим планированием заземления,  делают это на свой страх и риск. В действительности, миллионы  убытков могут быть  из-за дугового замыкания на землю, поэтому вопросы, связанные с заземлением, должны быть первыми в списке проблем для любого, кто разрабатывает ветряную электростанцию.

Зачем нужны заземляющие трансформаторы?

   Проще говоря, заземляющий трансформатор используется для обеспечения заземления либо незаземленной звезды, либо системы, соединенной треугольником. Трансформаторы заземления обычно используются для:

 -Обеспечение кратчайшего пути  к земле с относительно низким сопротивлением, тем самым поддерживая нейтраль системы на уровне потенциала земли или близком к нему.
 -Ограничение величины переходных перенапряжений при повторном замыкании на землю.
 — Источник тока для  замыкания  на землю.
 -При необходимости,  подключение нагрузок между фазой и нейтралью.
   Если одиночное замыкание на землю происходит в незаземленной или изолированной системе, обратного пути для тока короткого замыкания не существует, поэтому ток не течет. Система продолжит работу, но на двух других исправных линиях напряжение возрастет на квадратный корень из трех, что приведет к перенапряжению изоляции трансформатора и других связанных компонентов в системе на 173%. Металлооксидные варисторы (MOV), твердотельные устройства, используемые для подавления скачков / скачков напряжения (грозозащитные разрядники), особенно чувствительны к повреждению от нагрева из-за утечки через блоки, даже если повышения напряжения недостаточно для пробоя. Трансформатор заземления обеспечивает заземление для предотвращения этого.

Трансформаторы заземления необходимы для больших ветряных электростанций с несколькими турбинами, где трансформатор подстанции часто является единственным источником заземления для распределительной системы. Заземляющий трансформатор, размещенный на турбинной колонне, обеспечивает путь заземления на случай, если колонна станет изолированной от заземления системы.

Когда замыкание на землю на коллекторном кабеле вызывает размыкание автоматического выключателя подстанции для этого кабеля, гирлянда ветряной турбины становится изолированной от источника заземления. Турбины не всегда обнаруживают эту неисправность или тот факт, что колонна изолирована и не заземлена. В результате генераторы продолжают подавать питание на коллекторный кабель, и напряжение между исправными кабелями и землей поднимается намного выше нормального значения напряжения. В результате затраты могут быть ошеломляющими.

Согласно одному источнику в Iberdrola, мировом лидере в области развития ветроэнергетики, потеря дохода только для цепочки из 10 турбин может превысить 10 000 долларов в день. С учетом демонтажа и замены стоимость оборудования может приблизиться к дополнительным 40 000 долларов на трансформатор. Типичная конфигурация ветряной электростанции на самом деле в некоторой степени аналогична колесу каретки с кольцом, ступицей и спицами. Наружное кольцо колеса похоже на забор вокруг ветряной электростанции, а ступица в центре — это место, где расположен коллектор, который подключается к сети. Спицы — это радиальные линии, на которых расположена каждая ветряная турбина. Обычно каждая радиальная колонна турбин подключается к заземляющему трансформатору, как показано на рис. 1.

Заказать  расчет трансформатора

Правильная конструкция
   Заземляющие трансформаторы обычно имеют одну из двух конфигураций: обмотка, соединенная зигзагом (Zn) (со вспомогательной обмоткой или без нее), или обмотка, соединенная звездой (Ynd) (с соединенной треугольником вторичной обмоткой, которая может или не может использоваться для подачи вспомогательного питания). Оба варианта показаны на рис.2.схема заземляющего трансформатора

   Текущая тенденция в проектировании ветряных электростанций заключается в соединении первичной обмотки звездой с вторичной обмоткой треугольником. Исходя из нашего опыта, есть несколько причин, по которым 2-обмоточные заземляющие трансформаторы, соединенные звездой, кажутся более популярными, чем конструкции с зигзагообразной схемой.

Это включает:

   — Двухобмоточные трансформаторы считаются более доступными для замены или модернизации.
   -Отсутствие понимания зигзагообразной конфигурации, означает, что инженеры склонны работать с более понятными схемами.
   -Конструкция с двумя обмотками, соединенная звездой, позволяет использовать вторичную нагрузку и дозирование, в то время как зигзагообразная конструкция — нет.
   Не все производители предоставляют потенциальным клиентам зигзагообразные варианты заземления, даже те, для кого такая конфигурация может быть наиболее подходящей.
Зигзагообразная геометрия соединения полезна для ограничения циркуляции третьей гармоники и может использоваться без соединенной треугольником обмотки или без 4- или 5-стержневой конструкции сердечника, обычно используемой для этой цели в распределительных и силовых трансформаторах. Устранение необходимости во вторичной обмотке может сделать этот вариант менее дорогим и компактным по сравнению с аналогичным двухобмоточным заземляющим трансформатором. Кроме того, использование зигзагообразного трансформатора обеспечивает заземление с помощью устройства меньшего размера, чем двухобмоточный трансформатор звезда-треугольник, который обеспечивает такое же полное сопротивление нулевой последовательности.

С другой стороны, заземляющие трансформаторы, соединенные звездой, требуют либо вторичной обмотки, соединенной треугольником, либо применения конструкции сердечника с 4 или 5 выводами для обеспечения пути обратного потока для несимметричной нагрузки, связанной с этим соединением первичной обмотки. Поскольку часто желательно подавать вспомогательное питание от вторичной обмотки заземляющего трансформатора, это преимущество может сделать предпочтительным использование двухобмоточного заземляющего трансформатора вместо зигзагообразного соединения. Как зигзагообразные, так и двухобмоточные заземляющие трансформаторы могут быть сконструированы с возможностью вспомогательного питания — это может быть нагрузка, подключенная по схеме «звезда» или «треугольник».

Система с глухим заземлением, использующая заземляющий трансформатор, предлагает много улучшений безопасности по сравнению с незаземленной системой. Однако одному заземляющему трансформатору не хватает токоограничивающей способности резистивной системы заземления. По этой причине резисторы заземления нейтрали часто используются вместе с трансформатором заземления для ограничения величины тока замыкания на землю нейтрали. Их значения в омах должны быть указаны для обеспечения достаточно высокого протекания тока замыкания на землю для обеспечения надежной работы оборудования релейной защиты, но достаточно низкого для ограничения теплового повреждения.

Определение заземляющего трансформатора

  Выбирая заземляющий трансформатор для своей ветроэлектростанции, обязательно учитывайте следующие ключевые параметры:

Первичное напряжение — это напряжение системы, к которому должна быть подключена заземленная обмотка. Не забудьте указать базовый импульсный уровень трансформатора (BIL), который измеряет его способность выдерживать удары молнии. В некоторых случаях BIL будет определяться соображениями оборудования, такими как номинальные значения BIL 150 кВ на ветряных электростанциях на 34,5 кВ из-за ограничения на мертвые передние соединители.

Номинальные киловольт-амперы (кВА). Поскольку заземляющий трансформатор обычно является устройством кратковременного действия, его размер и стоимость меньше по сравнению с трансформатором, работающим в непрерывном режиме, с равным номиналом кВА. По этой причине заземляющие трансформаторы часто рассчитываются не по кВА, а по номинальным значениям длительного и кратковременного тока. Независимо от того, как вы его оцениваете, заземляющий трансформатор должен иметь номинальный  ток первичной фазы без превышения его температурного предела. Эта нагрузка включает ток намагничивания сердечника, ток емкостной зарядки для кабелей и любую вспомогательную нагрузку, если применимо. Чем выше это значение, тем больше и дороже трансформатор. Типичные значения постоянного тока могут быть от 5 А до нескольких сотен. Обязательно укажите дополнительные требования к нагрузке.

Непрерывный ток нейтрали — Непрерывный ток нейтрали определяется как трехкратный фазный ток или, другими словами, ток нулевой последовательности. Обычно это считается равным нулю, если система сбалансирована. Однако для целей проектирования заземляющего трансформатора это значение, которое, как ожидается, будет течь в нейтральной цепи без отключения защитных цепей (что приведет к нулевому току) или ток утечки на землю, который не является симметричной функцией. . Опять же, это значение необходимо для расчета тепловой мощности заземляющего трансформатора.

Ток и продолжительность повреждения — это значение необходимо для расчета кратковременного нагрева, возникающего в результате неисправности в системе, и его следует определять на основе инженерного исследования системы. Типичные значения варьируются от нескольких сотен ампер до нескольких тысяч ампер, при этом продолжительность выражается в секундах, а не в циклах. Например, обычно значение 400А в течение 10 секунд. Продолжительность повреждения является критическим параметром для разработчика трансформатора. Там, где в схемах защиты используется заземляющий трансформатор для функций отключения, указывается относительно короткое время (от 5 до 10 секунд). С другой стороны, если заземляющий трансформатор используется в схеме сигнализации замыкания на землю, потребуется постоянная или увеличенная продолжительность тока замыкания на землю.

Импеданс — полное сопротивление может быть выражено в процентах или в Омах на фазу. В любом случае его следует выбирать таким образом, чтобы напряжения фаз в исправном состоянии во время замыкания на землю находились в пределах допустимого временного перенапряжения трансформатора и связанного с ним оборудования, такого как разрядники и клеммные соединители. Значения, которые могут варьироваться от 2,5% до почти 10%, должны быть предоставлены разработчиком системы.

Подключение первичной обмотки — обязательно укажите тип первичного соединения: зигзагообразный или заземленный. Прежде чем принимать решение, рассмотрите обсужденные ранее факторы, касающиеся ситуаций, для которых конкретная конфигурация может быть наиболее подходящей.

Вторичное соединение — укажите вторичное напряжение и соединение, если применимо. Кроме того, обязательно учитывайте размер вспомогательной нагрузки, подключаемой для первичных обмоток, соединенных зигзагом или звездой.

Если имеется вариант использования двухобмоточного трансформатора без вторичной нагрузки, определите, можно ли «заглубить» обмотку треугольником (то есть не вывести), или только один изолятор должен быть выведен для заземления. 

Важные особенности и опции
В дополнение к рассмотренным конструктивным характеристикам существует ряд других соображений или особенностей, которые вы должны учитывать при создании заземляющих трансформаторов ветряной электростанции.

Сообщите поставщику, нужен ли вам трансформатор для монтажа на подставке с встроенной защитой от несанкционированного доступа или в виде подстанции.
Подумайте, будет ли заземляющий трансформатор размещен на улице или в помещении. Даже наружные блоки требуют особого внимания при размещении рядом с другими конструкциями.
Выберите подходящий тип жидкости для охлаждения. Варианты включают минеральное масло, силикон и жидкость на основе натуральных эфиров. Может имеет смысл сделать воздушное охлаждение.
Обдумайте варианты подключения и выберите лучший. Опции варьируются от глухих передних, открытых передних и переключаемых  клеммников. Расположение клемм может быть под крышкой или на боковой стенке, открыто или закрыто.
Предполагается, что превышение температуры составляет 65 ° C — при необходимости скорректируйте конструкцию.
Примите во внимание высоту участка или любые особые экологические проблемы.
Специальная краска по мере необходимости.
Резисторы заземления нейтрали — номинальное напряжение  должно быть равно напряжению линии заземляющего трансформатора на землю. Номинальный ток и продолжительность должны соответствовать номинальным характеристикам заземляющего трансформатора. Не забудьте установить достаточно высокий номинальный ток, чтобы он превышал ток зарядки кабеля и ток намагничивания заземляющего трансформатора.

К списку статей

 

  

Причина и следствие: как уменьшить проблемы с гармониками

Устранение проблем с качеством электроэнергии поможет вашему предприятию сэкономить деньги за счет оптимизации энергопотребления и защиты оборудования от повреждений в будущем.

Стабильность электрической системы можно охарактеризовать как «качество электроэнергии». Первым шагом к оценке состояния электрической системы является сбор данных от оборудования, инфраструктуры и сервисной панели. Это измеряется в трехфазных электрических системах с помощью приборов, которые учитывают несколько переменных.

Плохое качество электроэнергии проявляется следующим образом:

-Провалы и всплески — напряжение ниже или выше ожидаемого.
-Гармоники — частотные эффекты, вызванные либо источником питания, либо оборудованием, работающим в системе.
-Не симметрия — влияние колебаний напряжения или тока на каждую из электрических фаз.
-Мерцание — эффекты, вызванные повторяющимся переключением электрических нагрузок, например, дуговых печей или других процессов.

Причины:
Гармоники — это токи или напряжения с частотами, кратными основной частоте сети, которая  составляет 50 Гц. Если первая основная частота равна 50 Гц, то вторая — 100 Гц, а третья — 150 Гц. Вот несколько примеров проблем, которые могут быть связаны с гармониками:

Мигающие огни — частый симптом проблемы с качеством электроэнергии. Потенциальным источником мерцания  является оборудование с быстрыми колебаниями тока или напряжения нагрузки. Это например, большие двигатели при запуске, оборудование с циклоконвертерами (например, приводы прокатных станов и шахтные подъемные машины), а также машины, в которых используются статические преобразователи частоты, такие как двигатели переменного тока и дуговые печи.
Перегретые трансформаторы и сработавшие выключатели могут быть причиной гармонических проблем, которые возникают, когда нелинейные нагрузки, потребляющие ток резкими импульсами, а не плавно (синусоидальным образом) заставляют гармонические токи течь обратно в другие части энергосистемы.
Состояние гармоник в системе можно выразить разными способами. Первый — это полное гармоническое искажение или THD. THD — это сумма всех гармонических эффектов; обычно это измеряется до 50-го кратного основной частоты энергосистемы (50 Гц), при 2,5 кГц или, согласно некоторым рекомендациям, до 40-го кратного (2,0 кГц). Это значение THD с точки зрения качества электроэнергии чаще всего применяется к напряжению. В руководстве указано, что влияние гармоник напряжения должно быть менее 8% по отношению к основной гармонике. Значения выше указанных 8% требуют дальнейшего изучения.

Первым уровнем исследования будет определение процента каждой отдельной гармоники, 2-я, 3-я, 4-я, 5-я — до 50-й. Это отображается либо в реальном времени на измерительном приборе, либо на диаграмме из зарегистрированных и загруженных данных — это визуализируется как «гармонический спектр».

Примерный спектр гармоник, показанный на рис. 1, представляет собой очень типичный сценарий. THD напряжения находится в среднем диапазоне и составляет около 3,5% на каждой фазе. Обратите внимание на то, что самые большие гармоники находятся на 5-й и 3-й соответственно, и вскоре после 7-й гармоники очень быстро затухают. Эти гармоники генерируются импульсными источниками питания, используемыми в электронном оборудовании, таком как компьютеры, мониторы, телевизоры и светодиодное освещение. В определенной степени это гармоники, которые допускают производители оборудования  внутри своих устройств. Это оборудование содержит электронные фильтры, которые предотвращают генерацию высших гармоник. Предотвращение или смягчение последствий достигается путем добавления простых сетей из пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Включение этого простого средства защиты в продукт позволяет производителю поставлять продукты, соответствующие требуемому стандарту EMC.Этот график отображает процент каждой отдельной гармоники. Это известно как гармонический спектр. Рис.1

Если мы рассмотрим гармоники тока, то увидим совсем другую картину. На рис. 2 виден удивительный уровень искажений — до 40%. Это интересно, но не так уж важно. Во-первых, в этом случае ток будет низким по сравнению с тем, какой ток используется в цепи. Мы описываем эти два значения как IL (ток нагрузки) и ISC (ток короткого замыкания). Когда ISC значительно выше, чем IL, THD для тока не важен. Причина этого в том, что большая разница в этих токах вряд ли повлияет на гармоники напряжения. Эта концепция закреплена в стандарте IEEE 519 (Рекомендуемая практика и требования для контроля гармоник в электроэнергетических системах).

На этом снимке экрана вы видите высокий уровень искажения тока. Но разве это имеет значение? Рис.2

Последствия
В промышленных условиях причиной гармонических искажений чаще всего является электрическое оборудование в процессе эксплуатации. Современные промышленные предприятия содержат множество единиц оборудования, которые могут способствовать общему искажению — несколько очевидных примеров включают преобразователи частоты и электродвигатели, приводимые в действие инверторами. Эти приводы принимают  напряжение и ток переменного тока, преобразуют их в постоянный ток, а затем создают выходной сигнал переменной частоты, чтобы двигатели могли управляться более точно. Когда ток подается в инвертор, он не воспринимается как чистая синусоида  и нерегулярно принимает ток для зарядки компонентов, которые находятся на входе инвертора. Это нерегулярное потребление искажает ток и, следовательно, напряжение. Эти инверторы могут использоваться для привода двигателей, которые являются частью промышленного процесса, такого как перекачка охлаждающей или нагревающей воды, жидких материалов, движущихся конвейеров или охлаждающих вентиляторов. Другие типы электронного управления также являются частью процесса, и каждый из них создает некоторые искажения. Когда все это оборудование подключено к одной сети, искажения в целом возрастают.

Производители оборудования несут ответственность за то, чтобы их оборудование не создавало недопустимые уровни искажений, поэтому стандарты качества электроэнергии призваны предотвратить это. Но в некоторых случаях, когда пользователь создает уникальную комбинацию более высоких, чем ожидалось, искажений в электрической сети, близких к пропускной способности, искажения могут стать серьезными и повлиять на другие части оборудования. Например, старые трансформаторы не всегда проектировались с учетом гармоник. Хотя с момента появления промышленной силовой электроники прошло некоторое время. С самого начала большинство нагрузок на объекте были линейными (где ток и напряжение прямо пропорциональны -простая резистивная нагрузка). Если гармоники высоки, искажения могут вызвать перегрев старых трансформаторов, и с этим связаны две проблемы. Во-первых, выделяемое тепло -пустой расход электроэнергии. Во-вторых, возможно повреждение трансформатора, иногда даже катастрофическое.

Есть два возможных решения.

-Уменьшите гармоники за счет установки фильтров.
-Замените трансформатор на трансформатор с высоким коэффициентом К, который может справиться с искажениями.
Из этих двух решений оба имеют преимущества и финансовые затраты.

Установка фильтров может быть очень эффективной с экономической и технической точки зрения, в зависимости от источника гармонических искажений. Чтобы обнаружить конкретный источник (источники), требуется исследование гармоник оборудования, подключенного к системе. Лучше всего начать с самых больших электронных приводов — подумайте, какое оборудование потребляет наибольший ток, например, большие приводы или мощные системы ИБП, чтобы выяснить, какое из них имеет самый высокий THD. Соберите как можно больше данных о гармониках за несколько дней, чтобы увидеть, как изменяются THD, и определить наихудшие сценарии. Затем эти данные могут быть переданы поставщику фильтров, который может посоветовать подходящие решения для каждой нагрузки. Причиной проблемы может быть только одна или две единицы оборудования. В худшем случае вам понадобится более крупная система, но, опять же, поставщик может посоветовать подходящее решение.

С заменой трансформаторов сложнее. По-прежнему требуются исследования гармоник, чтобы обнаружить К-фактор — эффект нагрева из-за гармоник. Коэффициент K выводится из гармоник с использованием рекомендованного IEEE метода; однако подходящий инструмент рассчитает это за вас. Трансформаторы с коэффициентом К более дорогими, чем стандартные трансформаторы, и простои из-за установки нового трансформатора могут оказаться серьезными и привести к значительным простоям. Однако в некоторых случаях это может быть единственным жизнеспособным решением.

Здесь повторимся, но измерения имеют значение. Знание работоспособности вашей системы важно для обслуживания вашего оборудования, чтобы получить от него максимальную отдачу и поддерживать разумное потребление энергии.

Исследования качества электроэнергии следует рассматривать как плановое техническое обслуживание. Выполняя полурегулярные измерения, вы можете обнаружить любые изменения, которые могут произойти, чтобы вы могли найти потенциальные проблемы и исправить их на раннем этапе. Период между исследованиями зависит от мнения пользователей, но им необходимо учитывать свои ожидания в отношении надежности системы — чем выше ожидания, тем более регулярным является опрос. Это может быть ежемесячно, ежеквартально, раз в полгода или, если вы чувствуете, что действительно контролируете ситуацию, ежегодно.

Регулярное выполнение исследований не будет такой сложной задачей, если если организовать этот процесс правильно.

  • Выбирайте место измерения с умом. Найдите в системе критические точки, в которых оборудование может вызвать проблемы и где оборудование может быть более чувствительным.
  • Устанавливайте каждый раз в одном и том же месте.
  • Прислушивайтесь к подсказкам операторов оборудования об их опыте работы с происходящим на их уровне — у них есть лучшая информация.
  • Наблюдайте за тенденциями и проводите сравнения для простой корреляции.
  • Сохраняйте  исторические данные.
  • Измеряйте и регистрируйте в течение нескольких дней, чтобы увидеть ритм работы оборудования.

Собирая эти данные исследования, вы можете контролировать свою электрическую систему, эффективно управлять ею и поддерживать долговечность вашего электрического оборудования.

К списку статей

Технология сегментированных крышек сердечников для тороидальных аудио трансформаторов

    Типичный метод изготовления тороидального трансформатора включает создание стального сердечника, изоляцию сердечника, наматывание магнитного провода вокруг сердечника для создания первичной обмотки, изоляцию первичной обмотки, намотку магнитного провода поверх изоляции для создания вторичной обмотки и изоляцию вторичной обмотки. Для крепления трансформатора используют либо монтажную шайбу и болт, либо центр трансформатора заливают эпоксидной смолой с отверстием для болта. Операции выполняются практически всегда  в такой последовательности.Медицинский трансформатор

Разработка и изготовление сегментированных крышек сердечников

    Крышки сегментированных сердечников поддерживают первичную и вторичную обмотки в чередующихся секторах для уменьшения тока утечки. Несколько модульных электроизоляционных сегментов обычно защелкиваются или иным образом соединяются вместе с образованием кольцевых или полукольцевых крышек сердечников для покрытия или частичного покрытия кольцевого тороидального сердечника трансформатора. Сегменты или модули обычно изготавливаются из материалов Zytel® ,FR50, Rynite® FR530 или Zytel® E103HSL.

  Модули крышки сердечника изолируют медные обмотки от сердечника по всему диапазону обмоток и обеспечивают двухслойную изоляцию между соседними обмотками, что значительно снижает ток утечки по сравнению с обычными тороидальными трансформаторами. Они также обеспечивают прямое охлаждение активной зоны трансформатора окружающим или принудительным воздухом без промежуточной изоляции. Колпак сердечника также может быть собран из компонентных модулей на законченном тороидальным сердечнике  с обмоткой.

Оболочка сердечника трансформатора        оболочка для медицинского трансформатора

Сегменты каждого модуля включают в себя пару разнесенных, обычно электрически изолированных стенок, а также выступающую часть панели, разделяющий обмотки. Стенки расположены под заранее определенным углом относительно друг друга, обычно 30 градусов, 45 градусов, 60 градусов и т.п., так что каждый модульный сегмент охватывает дугу примерно 30 градусов, 45 градусов, 60 градусов и т. д. Стенки включают в себя зацепляемые, обычно охватываемые и охватывающие, соединительные части, так что расположенные рядом сегменты могут многократно зацепляться друг с другом, причем достаточное количество соединенных сегментов образует колпак кольцевого сердечника.

Защита обмоток медицинского трансформатораЗащита обмоток медицинского трансформатора

    Количество сегментов, необходимых для завершения крышки сердечника, заранее определено и обычно является функцией заранее определенного угла между стенками; например, если угол составляет 45 градусов, потребуется соединить вместе восемь сегментов, чтобы определить форму кольца. Если угол составляет 60 градусов, для того чтобы получить форму кольца потребуется только шесть сегментов. Хотя крышки сердечников обычно изготавливаются из идентичных модулей , они могут альтернативно включать в себя комбинации модулей крышек сердечников, охватывающих разные дуги, например, четыре модуля крышки сердечников, охватывающих 45 градусов каждый, и шесть модулей крышек сердечников, охватывающих 30 градусов каждый.

  Хотя модули одинакового размера и формы обычно более удобны, практически нет ограничений на комбинации размеров и форм модулей крышки сердечника, которые можно комбинировать, чтобы получить необходимую крышку ядра, имеющую желаемые свойства и характеристики.

Разделительные стенки

 При соединении (замковом зацеплении) образуются относительно плоские и  гладкие стороны (поверхности), и барьеры располагаются друг напротив друга. Барьеры определяют параметры, которыми ограничиваются чередующиеся обмотки проводов, обычно чередующиеся первичные и вторичные обмотки.

  Сегменты включают в себя одну или несколько перегородок или стенок, расположенных так, чтобы частично или полностью проходить через верхнюю часть панели, чтобы дополнительно определить параметры, между которыми направлены обмотки проводов. Одна или несколько перегородок обычно расположены на равном расстоянии между стенками и / или друг другом, соответственно. Разделители обычно ориентированы так, чтобы проходить радиально наружу от центра сердечника и / или кольцевого пространства, образованного соединенными сегментами; другими словами, каждое соответствующее разделение обычно лежит на радиусе кольцевого пространства, хотя разделительные стенки могут иметь другие удобные формы и контуры по желанию.

  Сегменты дополнительно включают в себя панель крышки с внешним диаметром D и / или панель с  внутренним диаметром сердечника D, которые проходят вниз так, чтобы, по крайней мере, частично покрывать наружный D и внутренний D, соответственно, тороидального кольца сердечника, расположенного напротив сердечника покрывают панели частично или полностью сформированного кольцевого пространства. Эти панели могут быть плоскими для покрытия сердцевинного кольца, имеющего плоские стороны внешнего и внутреннего диаметра, или изогнутыми, чтобы следовать за  кольцом ядра, имеющим закругленные или изогнутые части внутреннего и внешнего диаметра.

    Стены усечены и не проходят через панели. В некоторых из них нижние стены расположены напротив панели от соответствующей стены. Нижняя стенка также может включать в себя совмещаемые соединители для совместного соединения. Некоторые из сегментов содержат ребра, расположенные на верхней стороне панелей, чтобы создать воздушный зазор между витками проволоки и верхней стороной кольца. Создание воздушного зазора облегчает воздушное охлаждение обмоток, позволяя воздуху циркулировать между обмотками и верхней стороной крышки.

  Инструмент для намотки крышки с сегментированным сердечником

  Инструмент для намотки используется для облегчения намотки сердечника с крышкой из одной бобины. Инструмент для намотки обычно представляет собой плоское кольцо с выступающим ободом или фланцем, выходящим из внешнего диаметра. Кольцо обычно имеет прорезь, что придает ему С-образную форму. Размер кольца соответствует размеру сегмента, а размер прорези позволяет пропускать провод на сегмент. Инструмент для намотки также обычно включает в себя удлиненный дугообразный проволочный фиксатор, имеющий несколько частичных прорезей и одно или несколько фиксирующих отверстий для соединения проволочного фиксатора с одним или несколькими сегментами во время процесса наматывания проволоки.инструмент для намотки медицинских трансформаторов

  В процессе работы несколько сегментов могут быть соединены друг с другом для образования кольца. Кольцо включает часть верхней крышки кольцевого сердечника, образованную панелями отдельных сегментов. В большинстве случаев кольцо также включает (как правило) равноотстоящие радиальные выступы, образованные взаимно зацепляющимися соединителями, идущими наружу от кольца. Каждый радиальный выступ обычно является частью удлиненной стенки, расположенной на верхней стороне кольца и проходящей радиально внутрь частично или полностью через верхнюю поверхность. Некоторые стенки заканчиваются радиальными выступами, идущими внутрь от кольца. Эти радиальные выступы обычно образуются в результате соединения двух нижних стенок, хотя они могут быть сформированы отдельно.

защищенный медицинский трансформатор

Кольцо может также включать кольцевой сердечник, крышку внешнего диаметра и / или крышку внутреннего диаметра кольцевого сердечника, причем каждая крышка расположена, как правило, перпендикулярно части верхней крышки сердечника и проходит вниз.

Соответствующие крышки обычно состоят из смежных панелей крышки, когда сегменты соединены для образования кольца.

Обычно пара колец колпаков состоит из соединенных сегментов и размещается на противоположных сторонах тороидального сердечника с выровненными наружу выступами. Четное количество сегментов соединено, чтобы образовать каждое кольцо. Провод наматывается непрерывно вокруг чередующихся сегментов, чтобы определить первичные обмотки, по N витков на сегмент. Обычно все намотки могут быть выполнены с одной бобины или челнока за одну операцию непрерывной намотки шпульки, при этом провод направляется от одного сегмента к следующему через канавку или зазор между двумя противоположными крышками сердечника. Провод обычно разрезают или перерезают, чтобы изолировать первичные обмотки от вторичных обмоток, а затем намотанный сердечник можно обернуть изоляцией, как при обычной намотке тороидального трансформатора. В некоторых намотках может использоваться инструмент для облегчения намотки сердечника. Катушки, намотанные таким образом, сохраняют преимущества тороидальных трансформаторов, но при этом они легче, меньше, эффективнее и тише, чем набранные  сердечники  E-I. Намотанные таким образом сердечники демонстрируют меньший межобмоточный ток утечки по сравнению со стандартными сердечниками тороидального трансформатора.

Обычно первичные обмотки занимают сегменты с нечетными номерами, начиная с намотки первого сегмента, а вторичные обмотки занимают сегменты с четными номерами. Каждое кольцо может содержать несколько сегментов, таких как шесть, девять или двенадцать, и сердечник может быть намотан с первичной, вторичной и третичной (не показаны) обмотками, как указано выше, чтобы получить трехфазный трансформатор. Как вариант, кольцо может содержать сегменты различной конфигурации.

Изолирующий материал, такой как полоса из MYLAR, может быть расположен так, чтобы закрывать часть сердечника, открываемую зазором, или сердечник может быть частично или полностью завернут в изолирующий материал перед установкой на него крышек. В других конструкциях стены разнесены и ориентированы относительно друг друга для образования кольцевого пространства, но физически не связаны друг с другом. Все выводы имеют двойную изоляцию / оплетку и крепятся кабельными стяжками.

Медицинский трансформатор           Схема защищенного медицинского трансформатора

 

Резюме: преимущества сегментированного закрытого сердечника.

Если нужно спроектировать сегментный колпак сердечника, отвечающий требованиям безопасности в отношении утечки и зазоров, то время изготовления сокращается, поскольку:

-Нет необходимости в заземлении и межобмоточной изоляции, а также во внешней обмотке.
-Первичная и вторичная обмотки могут быть намотаны на одной машине, что сокращает время обслуживания.
-При условии, что крышка имеет монтажное отверстие, нет необходимости заполнять центр трансформатора эпоксидной смолой.
-Можно спроектировать крышку сегментного сердечника, состоящую из повторяющихся секций, которые «защелкиваются вместе», тогда затраты на инструмент и сборку крышек будут еще меньше, т.к. стоимость инструмента для меньшей детали для литья под давлением меньше, чем стоимость инструмента для большей детали.

-Сборка «защелкивающихся» деталей требует меньшего уровня навыков, чем другие методы изоляции жил. 
 

    Можно спроектировать сегментный трансформатор с крышкой сердечника, которая допускает обтекание сердечника и обмоток воздушным потоком, в итоге повышение температуры будет меньше, поскольку:

-Существует прямой путь для выхода тепла из неизолированного сердечника в окружающую среду.
-Отсутствует межобмоточная изоляция и внешняя оболочка, задерживающая тепло.
-Все обмотки имеют прямой путь для передачи тепла от них в окружающую среду.
                Если можно спроектировать крышку сегментного сердечника с монтажными отверстиями, тогда вес трансформатора будет меньше, потому что:

  • Не требуется эпоксидная смола по центру
  • Никакой монтажной шайбы не потребуется

Сегментный трансформатор с крышкой сердечника и стандартный тороидальный трансформатор-сравнение.

сравнение обычного и медицинского трансформаторовТрансформаторы с сегментными колпаками обеспечивают значительное снижение тока утечки и тепловыделения по сравнению со стандартными тороидальными трансформаторами. Теплообмен в сегментном трансформаторе с цоколем сравнительно лучше, так как конструкция крышки обеспечивает всю необходимую изоляцию. В ходе эксперимента было обнаружено, что простой разделительный трансформатор с простой схемой (коэффициент трансформации  1: 1) покрытый сегментными колпаками, имеет преимущества по нагреву-охлаждению по сравнению с обычным трансформатором на 13 ~ 17 ° C.

 

Параметры теста Стандартная тороидальная конструкция (1500ВА) Сегментная покрытая конструкция сердечника(1500ВА)
Напряжение хол.ход 240 V 239.64 V 239.60 V
Ток хол.ход 240 V 36 mA 48 mA
Потери в сердечнике 240 V 7.9 W 8.8 W
Ток холостого хода 264 V 85 mA                        85 mA
Потери в сердечнике 264 V 12.0 W 11.9 W
Максимальный ток утечки 264 V 81 µA 14 µA
Утечка (высокий потенциал)5 kV, 50 Гц, 2 сек. 1030 µA 210 µA
Сопротивление постоянному току в первичной обмотке 28°C 0.719 0.779
Сопротивление постоянному току во вторичной цепи 28°C 0.784 0.781
Выходная мощность при тепловом равновесии 1440 VA 1425 VA
Входная мощность при тепловом равновесии 1524 VA 1519 VA
Эффективность 94.49% 93.81%
Температура поверхности 111.5°C 98.6°C
Окружающая температура 29.4°C 30°C
Прирост температуры 82.1°C 68.6°C
Размер Ø200 × 90мм Ø200 × 90 мм

Весовое сравнение

   Вес Стандартная тороидальная конструкция  Сегментная конструкция сердечника
Сердечник 7.80 KG 7.80 KG
Колпачки 400 гр.  360 гр.
Медь 1.90 кг 1.95 кг
Центральная заливка 0.60 кг
Общая 10.7 кг 10.1 кг

Сравнение повышения температуры

   Мощность Прирост температуры (°C)
Стандартная тороидальная конструкция  Сегментная конструкция сердечника  Разница 
1500VA (Номинал) 82.1 68.6 13.5
1800VA 108.3 91.5 16.8

Сравнение рабочего времени

Стандартная тороидальная конструкция 
 Сегментная конструкция сердечника   Разница 
100% 66% 34%

Конструкция трансформатора с крышкой сегментного сердечника обеспечивает лучший отвод тепла, поэтому они могут быть рассчитаны на увеличенную мощность при том же объеме, что является основным преимуществом. Таким образом, они относительно меньше по размеру и легче по весу по сравнению с трансформаторами стандартной конструкции для тех же уровней мощности. Другими преимуществами являются меньший ток утечки, меньшая стоимость производства и экономичная конструкция монтажа.

     Например, ниже представлено сравнение сегментного трансформатора на 1500 ВА (расширенная мощность 1800 ВА) с нашим стандартным медицинским трансформатором на 1800 ВА стандартного тороидального исполнения.

Сравнение тестов

Параметры теста Стандартная тороидальная конструкция Сегментная конструкция сердечника
Напряжение хол.хода 240 V 247.35 V 239.60 V
Ток хол.хода 240 V 55 mA 48 mA
Ток утечки 264 V 86 µA 14 µA
Утечка при 5 кВ, 50Гц, 2 сек 1100 µA 210 µA
Сопротивление постоянному току в первичной обмотке 28°C  0.414 0.779
Сопротивление постоянному току во вторичной обмотке 28°C 0,480 0.781
Эффективность 94..48050% 93.50%
Температура поверхности 120°C 121.5°C
Окружающая температура 30°C 30°C
Прирост температуры 90°C 91.5°C
Размер Ø210 × 100 мм Ø200×90 мм

Сравнение по весовым показателям

Вес  Стандартная тороидальная конструкция  Сегментная конструкция сердечника
Сердечник 11.3 кг 7.80 кг
Колпачки 500 гр. 360 гр.
Медь 2.70 кг 1.95 кг
Центральная заливка 0.50 кг
Общая 15.0 кг 10.1 кг

Сравнение рабочего времени

Стандартная тороидальная конструкция Сегментная конструкция сердечника  Разница
100% 66%     34%

Заключение

Хотя конструкции тороидальных трансформаторов в целом являются достаточно продвинутыми, этот технический анализ показывает, что еще есть возможности для инноваций и повышения эффективности за счет использования технологии сегментированных крышек сердечников. Мы надеемся, что эта работа будет полезна производителям медицинского оборудования, разработчикам магнитных материалов и всем, кто может быть заинтересован.

К списку статей

 

Заказать или получить консультацию

Применение трансформаторов в выпрямителях

Трансформатор для выпрямителя

  Схема выпрямителя, используемая в большинстве электронных источников питания, представляет собой однофазный мостовой выпрямитель с емкостной фильтрацией, за которым обычно следует линейный регулятор напряжения. Схема этого выпрямителя показана ниже: (Рис.1):Схема выпрямителя с трансформатором

  Большая часть наших трансформаторов используется в выпрямительных схемах (Рис.1) поэтому мы решили посвятить эту статью выпрямительным трансформаторам и дать некоторые практические советы разработчикам источников питания.

   «Переменный ток, подаваемый на выпрямитель, всегда равен постоянному току, потребляемому от выпрямителя, когда токами утечки в диодах можно пренебречь.»

  Это верно, если мы сравним средние токи (Im) на стороне переменного и постоянного тока выпрямителя. Но переменный ток всегда измеряется как среднеквадратичный ток (Irms),а постоянный ток всегда измеряется как средний ток (Im). Первоначальное заявление неверно, если мы сравним Irms на стороне переменного тока с Im на стороне постоянного тока выпрямителя.

  Среднеквадратичный ток Irms всегда больше, чем средний ток Im из-за пиковой формы переменного тока. Если разделить Irms на Im, мы получим величину пикового значения тока, которая называется форм-фактором. (F = Irms/ Im). Чем острее пики, тем больше значение F.

  Нагревательный эффект электрического тока в проводке, резисторах и обмотках трансформатора пропорционален квадрату среднеквадратичного значения тока. Нагревательный эффект переменного тока в цепи выпрямителя соответственно пропорционален IS2 = (F x Im) 2 = (F x IL) 2, или квадрату постоянного тока, умноженному на форм-фактор F в квадрате. Повышение температуры в данном выпрямительном трансформаторе, таким образом, сильно зависит от значения форм-фактора (F), и требуемый размер выпрямительного трансформатора не может быть определен до тех пор, пока не будет известно фактическое значение форм-фактора.

  В выпрямителе типа, показанного на рисунке 1, F имеет значение где-то между 1,11 и 5,0 в зависимости от относительных значений импедансов до и после диодного моста. Когда эти импедансы известны, можно рассчитать F (и UC) с помощью графических методов. Но в этот момент разработчик источника питания обычно имеет в руке прототип трансформатора, поэтому UC и IS могут быть определены быстро стендовыми испытаниями. (Будьте осторожны при измерении IS с помощью измерителя, измеряющего истинное среднеквадратичное значение тока. Большинство измерителей переменного тока измеряют Im, но имеют градуировку в IRMS, предполагая, что F = 1,11, что верно только для синусоиды).

Ниже описывается точный и простой метод определения форм-фактора (F) по показаниям осциллографа с помощью графиков.

Предположим, мы наблюдаем формы сигналов тока и напряжения в различных частях схемы, показанной на рисунке 1, на осциллографе с электронно-лучевой трубкой, чтобы мы могли сравнивать формы сигналов до и после диодного моста. На диаграммах I-III показаны осциллограммы для различных значений емкости конденсатора (C), предполагая трансформатор с пренебрежимо малой последовательной индуктивностью, например тороидальный трансформатор.

 

С=0 Без регулятора

 

Диаграмма 2

 

 

 

 

 

Диаграмма 3

 

 

С- рабочий (Ur/Uc<10%)   С регулятором

 

Желаемый эффект от конденсатора — сглаживание постоянного напряжения, но в то же время он заставляет переменный ток протекать короткими импульсами, что означает более высокую F и более высокий среднеквадратичный ток в трансформаторе. «Угол проводимости» (α) выпрямителя можно измерить непосредственно по осциллограмме — просто помните, что полный полупериод составляет 180 °.

  Понятно, что форм-фактор (F) должен зависеть от угла проводимости (α). Мы вычислили точное соотношение между F и α для тороидальных трансформаторов, и результат показан здесь на этом графике. Измеряя угол проводимости (α) на осциллографе, можно определить по графику очень точное значение форм-фактора (F). Изменения нагрузки постоянного тока изменят угол проводимости, и соответствующие изменения в форм-факторе можно легко определить.

Таблица с диаграммами содержит дополнительную информацию, которая может помочь в оценке вариантов при проектировании источника питания. В комментариях к диаграммам мы определили коэффициент η = UDC / úo, которое связывает напряжение постоянного тока с пиковым напряжением холостого хода вторичной обмотки трансформатора. Сглаживание вершин формы волны переменного напряжения вызвано падением напряжения в общем импедансе перед диодным мостом, поэтому разумно предположить, что η должен изменяться в зависимости от угла проводимости (α). Мы также рассчитали это соотношение для тороидальных трансформаторов, и результат показан на листе графиков в виде пунктирной кривой.

График можно использовать для определения регулирования нагрузки постоянного тока выпрямителя. Регулировка нагрузки постоянного тока δUDC / UDC = (1-η) x 100%. Помните, что падение напряжения на диодах входит в значение UDC. Каждое падение напряжения на диоде можно считать постоянным и равным 1 В при всех нагрузках. Соответственно, регулирование чистой нагрузки немного хуже, чем 1-η, особенно для низких напряжений постоянного тока.

Важно отметить, что лучшая эффективность преобразования напряжения (измеряемая η) может быть получена только за счет более высокого форм-фактора, и, наоборот, более низкий форм-фактор может быть получен только за счет более слабого регулирования нагрузки постоянного тока.

Размер трансформатора, питающего выпрямитель, пропорционален произведению напряжения холостого хода (U0) и текущей емкости (IS), которую мы называем Po. Пунктирная линия на листе графика представляет наименьшее значение Po, требуемое для любого значения α (любого соответствующего значения F или η) для данной мощности постоянного тока. (Po / PDC = F / η√2).

Трансформатор имеет минимальный размер (Po) около 1,52 x PDC (общая мощность постоянного тока, включая потери в диодах) для α = 75º, где η = 0,8 и F = 1,7. К сожалению, невозможно всегда оставаться на минимуме, отчасти потому, что часто требуется лучшее регулирование постоянного тока, чем 20%, а отчасти потому, что регулирование нагрузки трансформаторов сильно зависит от размера трансформатора. Регулирование нагрузки постоянного тока и регулирование нагрузки трансформатора не пропорциональны, но они обычно увеличиваются и уменьшаются вместе, поэтому очень маленькие трансформаторы, как правило, работают при значениях, превышающих оптимальные, а очень большие трансформаторы работают при меньших, чем оптимальные значения α.

Конструкция выпрямительного трансформатора, отвечающая особым требованиям UC, UL, регулирования постоянного тока, повышения температуры и т. д., требует точных данных как для форм-фактора (F), так и для эффективности выпрямления (η). Но F и η в свою очередь определяются данными еще не спроектированного трансформатора, поэтому проектировщик блока питания попадает в ловушку. Один из выходов — взять какой-нибудь старый трансформатор, изменить его и помолиться, чтобы прототип заработал.

Другой выход — позволить инженерам компании «Элста» заняться проектированием трансформатора. Наши инженеры-прикладники имеют солидный опыт в проектировании трансформаторов и источников питания, и в их распоряжении есть инструменты для расчета и оптимизации трансформаторов, поэтому они могут спроектировать не только трансформатор, который будет работать, но и наиболее экономичный трансформатор, который будет работать эффективно.

К списку статей

Почему гармоники разрушают трансформаторы

    Трансформаторные технологии шагают вперед семимильными шагами. Вместе с тем как трансформаторы становятся более экономичными, более дешевыми, более технологичными в изготовлении и монтаже-на первый план выходит проблема совместимости трансформатора с современной сетью. С сетью ,которая переполнена различными электронными силовыми и импульсными устройствами. Устройствами непонятного качества и происхождения. Устройствами ,где непонятно как, реализована система фильтров.  В итоге шаг в развитии вперед оборачивается двумя шагами назад.Поэтому необходимо  понимание новых проблем, связанных с новыми высокотехнологичными нагрузками; и понимание того, как они могут повлиять на эксплуатацию трансформатора.

Оценка основных неисправностей и исследование гармоник дает практический опыт, позволяющий понять, почему гармоники разрушают трансформаторы. Новые технологии производства и эксплуатации  трансформаторов включают в себя понимание новых проблем, связанных с новыми видами нагрузок; и понимание того, как эти виды нагрузок  могут влиять на жизнь трансформатора.
Примеры новых нагрузок, которые очень широко используются в последнее время: приводы с регулируемой скоростью и /или электронные балласты; сборки  оборудования для обработки данных в офисах, промышленных объектах и ​​учреждениях. При расчете и монтаже этого оборудования должны учитываться помехи,паразитные токи и гармоники , которые они «отправляют» в сеть.
Были проведены значительные исследования и издано много публикаций, касающиеся воздействия гармоник на трансформаторы. Хотя гармоники могут быть связаны с перегрузкой нейтральных проводников и вызывать ложные срабатывания автоматических выключателей, здесь мы сосредоточимся на воздействии гармоник на трансформаторы.

Гармоники
   Некоторые нагрузки вызывают непропорциональное изменение тока в зависимости от напряжения в течение каждого полупериода. Эти нагрузки классифицируются как нелинейные нагрузки, а ток и напряжение имеют несинусоидальную форму волны, содержащую искажения. В результате  форма сигнала  при частоте 50 Гц имеет множество дополнительных частот, которые на нее накладываются , создавая множество частот в пределах синусоидальной волны частотой 50 Гц. Несколько частот являются гармониками основной частоты.
   Примерами нелинейных нагрузок являются источники бесперебойного питания (ИБП), приводы с регулируемой скоростью, зарядные устройства для аккумуляторов, электронные балласты, преобразователи частоты и источники питания с переключаемыми режимами (обычно используемые в компьютерах  и другом оборудовании для обработки данных). 

  Когда нелинейные токи протекают через электрическую систему объекта и распределительные линии передачи, возникают дополнительные искажения напряжения из-за полного сопротивления, связанного с электрической сетью. Таким образом, когда электроэнергия генерируется, распределяется и используется, возникают искажения формы напряжения и тока.

Оборудование, предназначенное для работы на основной частоте, которая  составляет 50 Гц, подвержено неудовлетворительной работе и иногда выходит из строя при воздействии напряжений и токов, которые содержат существенные гармонические частотные элементы. Очень часто работа электрооборудования может показаться нормальной, но при определенной комбинации условий — воздействие гармоник усиливается, что приводит к плачевным результатам.источник бесперебойного питания
Как обсуждалось ранее, изменения в системе, которые приведут к потенциальному отказу из-за гармоник, могут включать в себя установку преобразователей частоты(тиристорных и на силовых транзисторах IGBT), электронных балластов, конденсаторов улучшения коэффициента мощности, дуговых печей, мощных электродвигателей.

Вихревые токи
   Применение несинусоидальных напряжений возбуждения к трансформаторам увеличивает потери в железе в магнитопроводе трансформатора практически так же, как и в двигателе. Более серьезное влияние гармонических нагрузок на трансформаторы связано с увеличением потерь на вихревые токи в обмотках.

  Вихревые токи — это циркулирующие токи в проводниках, вызванные колебательным действием магнитного поля рассеяния на проводники. Концентрация вихревых токов выше на концах обмоток трансформатора из-за эффекта вытеснения магнитных полей  утечки на концах катушки. Потери на вихревые токи увеличиваются как квадрат тока в проводнике и квадрат его частоты. Увеличение потерь на вихревые токи трансформатора из-за гармоник оказывает существенное влияние на рабочую температуру трансформатора. Трансформаторы, используемые для питания нелинейных нагрузок, должны быть рассчитаны на основе процентного содержания гармонических составляющих в токе нагрузки и номинальных потерь на вихревые токи обмоток.
Результирующее увеличение вихревых токов увеличивает рабочую температуру стального  сердечника, что, в свою очередь, ухудшает параметры изоляции между слоями  сердечника. Это приводит к значительному увеличению потерь I²R выше  проектных пределов трансформатора и перегреву  изоляции обмоток. Результат этого всего — замыкание обмоток на железо сердечника.

   Как указывалось выше, потери на вихревые токи увеличиваются как квадрат тока в проводнике и квадрат его частоты; следовательно, с более высокими и более высокими гармониками этот нагрев еще больше увеличивается.
   Когда мы рассматриваем  трансформатор, мы учитываем, что обмотка высокого и низкого напряжения намотана вокруг твердого железного сердечника; но если мы присмотримся внимательнее, мы увидим, что «твердое» железное ядро ​​состоит из пакета тонких  стальных пластин, обычно из кремниевой стали, и эти тонкие пластины изолированы друг от друга изолирующим покрытием, которое наносится на обе стороны. Целью изоляции пластин (шихты) является ограничение их нагрева вихревыми токами при нормальной работе.
   Даже не принимая во внимание усиленный  нагрев на более высоких частотах гармоник, потери на нагрев, которые происходят в железе сердечника, из-за ухудшения изоляции приводят к преждевременному выходу трансформатора из строя.

Например, мы имеем  значение вихревых токов 10 А . Изоляционный слой,в результате неправильной работы трансформатора, между ламелями  сердечника поврежден  и поврежден до такой степени, что все  секции  сердечника находятся в контакте друг с другом. В итоге, суммарный эффект нагрева увеличивается с 5 Вт до 50 Вт, или 900% — увеличение нагрева.
Этот усиленный нагрев, который не включает в себя дополнительный эффект повышенной частоты, связанной с гармониками, приведет к перегреву изоляции первичной и / или вторичной обмоток, что приведет к выходу из строя внутренней обмотки трансформатора.

Итоги
Многие конечные пользователи знакомы с защитой от скачков напряжения, поэтому они применяют защитные устройства от скачков напряжения и /или разрядники, но многие не в полной мере учитывают  токи высоких гармоник новых или добавленных нагрузок.
   Первым шагом при проектировании или изменении существующей системы распределения электроэнергии для подключения новых нагрузок, является моделирование электрической системы под гармоники этих нагрузок. Также настоятельно рекомендуется измерить фактические гармоники тока, которые существуют, и после подключения новых нагрузок снова измерить фактические гармоники тока.
   Если вносятся изменения в существующую систему распределения электроэнергии, вы можете осторожно добавить новые нагрузки, а затем сразу же измерить гармоники, полученные в результате этих новых нагрузок. Мы надеемся, что трансформатор, питающий эти новые нагрузки, не выйдет из строя через несколько дней после подключения  этих нагрузок.
      Как только уровень гармоник определен, вы должны отсоединить их от трансформатора и определить ваши следующие шаги. Решение может быть разным.Например  установить фильтрацию гармоник или соединить трансформаторы таким образом, чтобы было  подавление гармоник, или заменить трансформатор, под гармоники.
    Другим вариантом поддержки долгосрочной диагностики является установка постоянного измерителя гармоник. Если у вас отказ трансформатора, и вы не поменяли типы новых нагрузок, о которых говорилось выше, то анализ гармоник должен быть частью анализа первопричины. В качестве примера, стандарт IEEE 519-1992  утверждает, что общее гармоническое искажение  формы волны напряжения, предоставляемой неким электрическим или электронным устройством, не может превышать 3% идеальной синусоидальной волны. Чтобы гарантировать, что гармоники не генерируются этим устройством, нужно произвести измерение на месте. Это место может быть например, точка где встречаются электропроводка коммунального предприятия-поставщика и объекта (обычно на счетчике). Если искажение напряжения превышает 3%, коммунальное предприятие должно обеспечить некоторую форму смягчения  гармоник для устранения проблемы.

К списку статей

 

Тест на знание устройства и принципа работы трансформатора

1). В определенном нагруженном трансформаторе вторичное напряжение составляет одну четвертую первичного напряжения, вторичный ток в этом случае:
а) четверть первичного тока
б) в четыре раза больше первичного тока
в) равно первичному току
г) одну четвертую первичного тока или равную первичному току

2). Что из списка является переменными потерями?
а) потеря вихревых токов
б) потеря гистерезиса
в) потеря в меди в шунтирующем поле
г) потери в медной обмотке

3). Шум, возникающий в результате колебаний стальных ламелей сердечника , обусловленный магнитными силами, называется
а) магнитострикция
б) свист
в) гул
г) зум

4). Первичная обмотка силового трансформатора всегда должна быть:
а) открытой
б) закороченной
в) переключаемой
г) обьединенной

5). Потеря вихревых токов зависит от:
а) частоты
б) плотности потока
в) толщины
г) все вышеперечисленное

6). Потеря на  гистерезис будут зависеть от:
а) f
б) f²
в) f³
г) f ^ 1.6

7). Полная потеря в сердечнике также называется ———?
а) потеря вихревых токов
б) потеря на гистерезис 
в) магнитные потери
г) потеря меди

8). Максимальная эффективность работы трансформатора имеет место в случае, когда потеря меди _________потери железа?
а) больше чем
б) меньше чем
в) равно
г) любой из вышеперечисленных

9). Основная функция трансформатора состоит в том, чтобы изменить

а) уровень мощности
б) коэффициент мощности
в) уровень напряжения
г) частоту

10). Поток в сердечнике трансформатора зависит главным образом от:
а) напряжения питания
б) напряжения питания и частоты
в) напряжения питания, частоты и нагрузки
г) напряжения питания и нагрузки

Ответы смотрите в комментариях ⏬

 

 

Скрытые опасности электромобилей

Страховая компания AXA обнаружила увеличение несчастных случаев среди более крупных моделей электромобилей . 

электромобиль 

У электромобилей есть сюрприз для страховых компаний: с ними связано больше несчастных случаев, чем у автомобилей с ДВС. Реальность не так тревожна, как может показаться, но страховая компания AXA Group (Франция) основываясь на своей внутренней служебной статистике, утверждает  что некоторые характеристики автомобилей с питанием от батарей могут неприятно удивить своих владельцев. По крайней мере, пока они не привыкнут к новому стилю вождения.

  Проблема заключается в том, что автомобили, работающие от аккумуляторов, разгоняются намного быстрее, чем бензиновые или дизельные, поскольку электродвигатель выдает полный момент, как только водитель дотрагивается до «педали газа». Максимальное ускорение доступно сразу, и это обстоятельство, в свою очередь, может привести к большему количеству дорожных аварий . Швейцарский филиал страховой компании пришел к такому выводу после анализа файлов своих клиентов, и проведения краш-теста для подтверждения данных.

  В своем отчете AXA указывает, что крупные и «люксовые» модели электромобилей и внедорожники имеют частоту обращений на 40% выше по сравнению с аналогичными моделями, оснащенных ДВС. В нижних сегментах цифры, тем не менее, похожи.

«В дополнение к классическим урокам вождения, особые знания различных типов транспортных средств приобретают все большее значение. В частности, в отношении электромобилей автомобилисты должны сначала привыкнуть к различным способам торможения и ускорения », — говорит исследователь несчастных случаев в компании AXA  -Беттина Занд.

Дополнительная проблема
  Использование инновационных технологий в автомобилях имеет еще одну отрицательную сторону, о которой страховая компания упоминает в своем докладе: «99 из 100 водителей электромобилей, модели которых оснащены автопилотом, говорят, что они также используют его, чаще на дороге и на дальние расстояния «.

Хотя слово «автопилот», используемое в тексте, является вспомогательным средством вождения в  современных автомобилях (адаптивный круиз-контроль, распознавание сигнала, система обслуживания полосы движения…). Речь скорее идет  о полуавтоматическом пилоте. И это один из рисков: полагать, что автомобиль способен ездить самостоятельно. «Большая автоматизация» также означает больший риск того, что водители слишком сильно полагаются на технологии. Есть несколько несчастных случаев, которые  были вызваны чрезмерной зависимостью водителя от системы », — говорится в исследовании AXA.

После ответов респондентов в отчете делается вывод, что водители электромобилей, как правило, больше заинтересованы в инновациях, знают больше о системах помощи и используют их чаще, во благо и во вред. Все доступные в настоящее время системы должны постоянно контролироваться и обеспечивать двойной контроль «на дурака». Хотя эти системы выступают в качестве поддержки, водители не должны слишком полагаться на них, чтобы не поставить под угрозу их собственную безопасность и безопасность других », — подтверждает Беттина Занд.

Риск пожара
Несчастные случаи одинаково опасны в электромобиле и автомобиле с ДВС. Они проходят одни и те же краш-тесты и оснащены одинаковыми элементами безопасности, и, если происходит очень сильное столкновение, высоковольтный электрический блок отключается, чтобы избежать возможного короткого замыкания, что является причиной пожара. Фактически, данные AXA указывают на то, что электромобили не сгорают чаще, чем другие транспортные средства.  Однако, это правда, что горящая батарея воспламеняется и горит очень быстро, и этот огонь также очень трудно потушить из-за химических компонентов и реакций в батарее.

Источник «El Motor»

 

Как мы можем уменьшить шум от работы трансформатора?

   Известно, что электрические трансформаторы издают гудящие и жужжащие звуки, которые могут быть  неприятными и вызывать беспокойство. Причиной этого шума является процесс магнитострикции, который происходит внутри трансформатора, в котором лист из магнитной стали меняет свои размеры и форму при намагничивании. Поскольку магнитострикция является важным процессом в работе трансформатора, шум не может быть полностью устранен. Но да, при желании его в определенной степени, можно уменьшить.

Шум трансформатора

Звук издаваемый трансформатором

  Важно ,что мы должны понять, это то, что магнитострикция — это расширение и сжатие шихтованных сердечников. Как тороидальных, так  и Ш-образных,  хотя в тороидальных, конечно, эти процессы значительно меньше, которые создают шум во время намагничивания. Таким образом, шум трансформатора исходит от сердечника. Понятно,что ни один трансформатор не может работать беззвучно, и уровень шума определяется конструкцией самого трансформатора. Любые корректировки, сделанные в конструкции, могут увеличивать или уменьшать уровень шума. Тем не менее, основная задача уменьшения уровня шума должна решаться при проектировании трансформатора.

Монтаж трансформатора на твердой поверхности
Трансформаторы всегда рекомендуется устанавливать на тяжелых плотных поверхностях, таких как бетонные стены и полы, а не на фанерных поверхностях или тонких навесных стенах, которые только усилят гудящий шум, делая его невыносимым. Как правило, монтажные поверхности должны быть в десять раз тяжелее устанавливаемого трансформатора.

Избегайте установки трансформаторов в углах, коридорах и лестничных клетках
Когда между трансформатором и соседней стеной остается мало места, звук только усиливается. Это работает так же, как эхо нашего голоса, усиливающее наш собственный звук. Таким образом, вокруг трансформатора должно быть достаточно свободного места. Вот почему такие места, как углы комнат, коридоры и лестничные клетки, следует избегать, если мы не хотим увеличить акустический эффект от шумящего трансформатора. Кроме того, размещение трансформатора под потолком также не очень хорошая идея!

Крепления трансформаторы должны быть всегда плотно затянуты
Все болты и винты в крышке и верхней части трансформатора должны быть всегда затянуты. Любые незакрепленные детали будут вибрировать при включенном трансформаторе. Этот шум складывается с раздражающим шумом, производимым трансформатором.

Использование звукопоглощающих материалов
Использование шумопоглощающих материалов, таких как масляные барьеры или прокладки из резины и мягких материалов  может помочь поглотить звук, что уменьшает шум и препятствует его распространению. Это способ поглощения звука, но это не означает, что шум от трансформатора исчезнет. Это только понизит уровень шума. Но здесь сразу возникают вопросы эффективного охлаждения трансформатора, которые требуют решения на этапе проектирования.

Следующие рекомендации помогут вам обеспечить приемлемую установку.

-Максимальный уровень шума трансформатора следует сравнивать с прогнозируемой средой его расположения. Трансформатор должен быть перемещен, если его уровень шума выше,чем допускается в этом месте.
-При установке трансформаторов в таких местах, как офисные здания или отели, надо планировать так, чтобы между трансформатором и «зонами для людей» оставалось, хотя бы небольшое, техническое помещение.
-Монтажная поверхность для трансформатора не должна резонировать и  повышать уровень шума. Монтажное основание (например, бетонный пол) должно весить как минимум в 10 раз больше, чем трансформатор.
-Следует избегать углового расположения, поскольку звук будет отражаться в комнату.
-Устройство не следует устанавливать на тонких стенах, таких как фанера или навесные стены, поскольку они усиливают звук (эффект звуковой колонки).
-Необходимо следовать инструкциям производителя по установке, чтобы использовать любые устройства подавления вибрации, включенные в конструкцию трансформатора.

Для любых решений в трансформаторном оборудовании, вы можете обратиться к нам, компании  которая работает в этой области с 2002 года. Мы знаем все возможные проблемы ,с которой сталкиваются инженеры при выборе и эксплуатации трансформаторной техники и знаем как их решить!

ru_RURU